Schizosaccharomyces pombe
|
|
| Schizosaccharomyces pombe | |
|---|---|
| Vetenskaplig klassificering | |
| Rike: | Svampar |
| Division: | Ascomycota |
| Klass: | Schizosaccharomycetes |
| Beställa: | Schizosaccharomycetales |
| Familj: | Schizosaccharomycetaceae |
| Släkte: | Schizosaccharomyces |
| Arter: |
S. pombe
|
| Binomialt namn | |
|
Schizosaccharomyces pombe
Lindner (1893)
|
|
| Synonymer | |
|
|
Schizosaccharomyces pombe , även kallad " klyvningsjäst ", är en jästart som används i traditionell bryggning och som modellorganism inom molekylär- och cellbiologi . Det är en encellig eukaryot , vars celler är stavformade. Celler mäter vanligtvis 3 till 4 mikrometer i diameter och 7 till 14 mikrometer i längd. Dess genom , som är cirka 14,1 miljoner baspar, uppskattas innehålla 4 970 proteinkodande gener och minst 450 icke-kodande RNA .
Dessa celler bibehåller sin form genom att växa uteslutande genom cellspetsarna och dela sig genom medial fission för att producera två dotterceller av samma storlek, vilket gör dem till ett kraftfullt verktyg i cellcykelforskning .
Fissionsjäst isolerades 1893 av Paul Lindner från östafrikansk hirsöl . Artnamnet pombe är det swahilianska ordet för öl. Den utvecklades först som en experimentell modell på 1950-talet: av Urs Leupold för att studera genetik och av Murdoch Mitchison för att studera cellcykeln.
Paul Nurse , en fissionsjästforskare, slog framgångsrikt samman de oberoende skolorna för fissionsjästgenetik och cellcykelforskning. Tillsammans med Lee Hartwell och Tim Hunt vann Nurse 2001 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för deras arbete med cellcykelreglering.
Sekvensen av S. pombe -genomet publicerades 2002, av ett konsortium ledd av Sanger Institute , och blev den sjätte modellen för eukaryota organism vars genom har sekvenserats helt . S. pombe-forskare stöds av PomBase MOD ( modellorganismdatabasen) . Detta har helt låst upp kraften hos denna organism, med många gener som är ortologa till mänskliga gener identifierade - 70% hittills, inklusive många gener involverade i mänskliga sjukdomar. publicerades subcellulär lokalisering av nästan alla proteiner i S. pombe med användning av grönt fluorescerande protein som en molekylär tagg.
Schizosaccharomyces pombe har också blivit en viktig organism för att studera cellulära svar på DNA-skador och processen för DNA-replikation .
Ungefär 160 naturliga stammar av S. pombe har isolerats. Dessa har samlats in från en mängd olika platser inklusive Europa, Nord- och Sydamerika och Asien. Majoriteten av dessa stammar har samlats in från odlade frukter som äpplen och vindruvor , eller från olika alkoholhaltiga drycker , som brasiliansk Cachaça . S. pombe är också känt för att finnas i fermenterat te, kombucha . Det är för närvarande inte klart om S. pombe är den huvudsakliga fermentatorn eller en förorening i sådana bryggningar. Den naturliga ekologin för Schizosaccharomyces- jäst är inte välstuderad.
Historia
Schizosaccharomyces pombe upptäcktes först 1893 när en grupp som arbetade i ett bryggeriföreningslaboratorium i Tyskland tittade på sediment som hittats i hirsöl importerat från Östafrika som gav det en sur smak. Termen schizo, som betyder "split" eller "klyvning", hade tidigare använts för att beskriva andra Schizosaccharomycetes . Tillägget av ordet pombe berodde på dess isolering från östafrikanskt öl, eftersom pombe betyder "öl" på swahili. Standard S. pombe -stammarna isolerades av Urs Leupold 1946 och 1947 från en kultur som han erhöll från jästsamlingen i Delft , Nederländerna. Den deponerades där av A. Osterwalder under namnet S. pombe var. liquefaciens , efter att han isolerade det 1924 från franskt vin (mest troligt härsken) vid Federal Experimental Station of Vini- and Horticulture i Wädenswil , Schweiz. Kulturen som användes av Urs Leupold innehöll (förutom andra) celler med parningstyperna h90 (stam 968), h- (stam 972) och h+ (stam 975). Efter detta har det gjorts två stora ansträngningar för att isolera S. pombe från frukt, nektar eller fermentationer: en av Florenzano et al. i vingårdarna på västra Sicilien, och den andra av Gomes et al. (2002) i fyra regioner i sydöstra Brasilien.
Ekologi
Klyvningsjästen S. pombe tillhör divisio Ascomycota, som representerar den största och mest mångsidiga gruppen av svampar. Fritt levande ascomyceter finns vanligtvis i trädutsöndringar, på växtrötter och i omgivande jord, på mogna och ruttnande frukter och i samband med insektsvektorer som transporterar dem mellan substrat. Många av dessa föreningar är symbiotiska eller saprofytiska, även om många ascomyceter (och deras basidiomycete-kusiner) representerar viktiga växtpatogener som riktar sig mot otaliga växtarter, inklusive kommersiella grödor. Bland de ascomycetösa jästsläktena är fissionsjästen Schizosaccharomyces unik på grund av avsättningen av α-(1,3)-glukan eller pseudonigeran i cellväggen förutom de mer kända β-glukanerna och den virtuella bristen på kitin. Arter av detta släkte skiljer sig också åt i mannansammansättning, vilket visar terminala d-galaktossocker i sidokedjorna av deras mannaner. S. pombe genomgår aerob jäsning i närvaro av överskott av socker. S. pombe kan bryta ner L-äppelsyra, en av de dominerande organiska syrorna i vin, vilket gör dem olika bland andra Saccharomyces -stammar.
Jämförelse med spirande jäst ( Saccharomyces cerevisiae )
Jästarterna Schizosaccharomyces pombe och Saccharomyces cerevisiae är båda omfattande studerade; dessa två arter skiljde sig åt ungefär 300 till 600 miljoner år tidigare och är viktiga verktyg inom molekylär och cellulär biologi. Några av de tekniska diskriminanterna mellan dessa två arter är:
- S. cerevisiae har cirka 5 600 öppna läsramar ; S. pombe har cirka 5 070 öppna läsramar.
- Trots liknande genantal har S. cerevisiae bara cirka 250 introner , medan S. pombe har nästan 5 000.
- S. cerevisiae har 16 kromosomer , S. pombe har 3.
- S. cerevisiae är ofta diploid medan S. pombe vanligtvis är haploid .
- S. pombe har ett shelterinliknande telomerkomplex medan S. cerevisiae inte har det .
- S. cerevisiae är i G1-fasen av cellcykeln under en längre period (som en konsekvens är G1-S-övergången hårt kontrollerad), medan S. pombe förblir i G2-fasen av cellcykeln under en längre period (som en Följaktligen är G2-M-övergången under noggrann kontroll).
- Båda arterna delar gener med högre eukaryoter som de inte delar med varandra. S. pombe har RNAi- maskinerigener som de hos ryggradsdjur, medan detta saknas hos S. cerevisiae . S. cerevisiae har också kraftigt förenklat heterochromatin jämfört med S. pombe . Omvänt S. cerevisiae välutvecklade peroxisomer , medan S. pombe inte har det.
- S. cerevisiae har liten punktcentromer på 125 bp och sekvensdefinierade replikationsursprung av ungefär samma storlek. Omvänt S. pombe stora, repetitiva centromerer (40–100 kb) som mer liknar däggdjurscentromerer och degenererade replikationsursprung på minst 1 kb.
S. pombes vägar och cellulära processer
S. pombes genprodukter (proteiner och RNA) deltar i många cellulära processer som är vanliga i hela livet. Klyvningsjästen GO slim ger en kategorisk överblick på hög nivå av den biologiska rollen för alla S. pombes genprodukter.
Livscykel
Klyvningsjästen är en encellig svamp med ett enkelt, fullt karakteriserat genom och en snabb tillväxthastighet. Det har länge använts i bryggning, bakning och molekylär genetik. S. pombe är en stavformad cell, cirka 3 μm i diameter, som växer helt genom förlängning i ändarna. Efter mitos sker delning genom bildandet av en septum, eller cellplatta, som klyver cellen vid dess mittpunkt.
De centrala händelserna för cellreproduktion är kromosomduplicering, som sker i S (syntetisk) fas, följt av kromosomsegregation och kärndelning (mitos) och celldelning (cytokinesis), som tillsammans kallas M (mitotisk) fas. G1 är gapet mellan M- och S-faser, och G2 är gapet mellan S- och M-faser. I fissionsjästen är G2-fasen särskilt förlängd, och cytokines (dotter-cellsegregering) sker inte förrän en ny S (syntetisk) fas lanseras.
Fissionsjäst styr mitos genom mekanismer som liknar dem hos flercelliga djur. Det förökar sig normalt i ett haploid tillstånd. När de svälts, smälter celler av motsatta parningstyper (P och M) samman för att bilda en diploid zygot som omedelbart går in i meios för att generera fyra haploida sporer. När förhållandena förbättras gror dessa sporer för att producera prolifererande haploida celler.
Allmänna egenskaper hos cellcykeln.
Den speciella cellcykeln för en fissionsjäst.
Divisionsstadier av Schizosaccharomyces i ljus- och mörkfältljusmikroskopi
Cytokinesis
De allmänna egenskaperna hos cytokines visas här. Platsen för celldelning bestäms före anafas. Anafasspindeln (i grönt på figuren) placeras sedan så att de segregerade kromosomerna är på motsatta sidor av det förutbestämda klyvningsplanet.
Storlekskontroll
I fissionsjäst, där tillväxt styr progression genom G2/M, orsakar en wee1- mutation inträde i mitos vid en onormalt liten storlek, vilket resulterar i en kortare G2. G1 förlängs, vilket tyder på att progression genom Start (början av cellcykeln) är känslig för tillväxt när G2/M-kontrollen går förlorad. Vidare växer celler i dåliga näringsförhållanden långsamt och det tar därför längre tid att fördubbla sin storlek och dela sig. Låga näringsnivåer återställer också tillväxttröskeln så att cellen fortskrider genom cellcykeln i en mindre storlek. Vid exponering för stressande förhållanden [värme (40 °C) eller oxidationsmedlet väteperoxid] åldras S. pombe -celler mätt genom ökad celldelningstid och ökad sannolikhet för celldöd. Slutligen, wee1 mutant fission jästceller är mindre än vildtypsceller, men tar lika lång tid att gå igenom cellcykeln. Detta är möjligt eftersom små jästceller växer långsammare, det vill säga deras tillförda totala massa per tidsenhet är mindre än normala cellers.
En rumslig gradient tros koordinera cellstorlek och mitotiskt inträde i fissionsjäst. Pom1- proteinkinaset (grönt) är lokaliserat till cellbarken, med den högsta koncentrationen vid cellspetsarna. Cellcykelregulatorerna Cdr2, Cdr1 och Wee1 finns i kortikala noder i mitten av cellen (blå och röda prickar). a, I små celler Pom1 -gradienten de flesta kortikala noderna (blå prickar). Pom1 hämmar Cdr2, förhindrar Cdr2 och Cdr1 från att hämma Wee1 och tillåter Wee1 att fosforylera Cdk1, vilket inaktiverar aktiviteten av cyklinberoende kinas (CDK) och förhindrar inträde i mitos. b, I långa celler når inte Pom1- gradienten de kortikala noderna (röda prickar), och därför förblir Cdr2 och Cdr1 aktiva i noderna. Cdr2 och Cdr1 hämmar Wee1, förhindrar fosforylering av Cdk1 och leder därmed till aktivering av CDK och mitotiskt inträde. (Detta förenklade diagram utelämnar flera andra regulatorer av CDK-aktivitet.)
Omkoppling av parningstyp
Fissionsjäst byter parningstyp genom en replikationskopplad rekombinationshändelse, som äger rum under S-fasen av cellcykeln. Fission jäst använder inneboende asymmetri i DNA-replikationsprocessen för att byta parningstyp; det var det första systemet där replikationsriktningen visade sig krävas för att byta celltyp. Studier av omkopplingssystemet av parningstyp leder till upptäckt och karakterisering av en platsspecifik replikationstermineringsplats RTS1, en platsspecifik replikationspausplats MPS1 och en ny typ av kromosomavtryck, som markerar en av systerkromatiderna vid parningen -typ locus mat1. Dessutom har arbetet med den tystade donatorregionen lett till stora framsteg när det gäller att förstå bildandet och underhållet av heterokromatin.
Svar på DNA-skador
Schizosaccharomyces pombe är en fakultativ sexuell mikroorganism som kan genomgå parning när näringsämnen är begränsande. Exponering av S. pombe för väteperoxid, ett medel som orsakar oxidativ stress som leder till oxidativ DNA-skada , inducerar kraftigt parning och bildning av meiotiska sporer. Detta fynd tyder på att meios, och särskilt meiotisk rekombination, kan vara en anpassning för att reparera DNA-skada. [ citat behövs ] Stöd för denna uppfattning är upptäckten att singelbasskador av typen dU:dG i DNA från S. pombe stimulerar meiotisk rekombination. Denna rekombination kräver uracil-DNA-glykosylas , ett enzym som tar bort uracil från DNA-ryggraden och initierar reparation av basexcision. På basis av detta fynd föreslogs att basexcisionsreparation av antingen en uracilbas, ett abasiskt ställe eller ett enkelsträngat hack är tillräckligt för att initiera rekombination i S. pombe. Andra experiment med S. pombe indikerade att felaktig bearbetning av DNA-replikationsintermediärer, dvs Okazaki-fragment , orsakar DNA-skador såsom enkelsträngade hack eller luckor, och att dessa stimulerar meiotisk rekombination.
Som ett modellsystem
Fissionsjäst har blivit ett anmärkningsvärt modellsystem för att studera grundläggande principer för en cell som kan användas för att förstå mer komplexa organismer som däggdjur och i synnerhet människor. Denna encelliga eukaryot är icke-patogen och lätt att odla och manipulera i labbet. Fissionsjäst innehåller ett av de minsta antalet gener av en känd genomsekvens för en eukaryot och har bara tre kromosomer i sitt genom. Många av generna som ansvarar för celldelning och cellulär organisation i fissionsjästceller finns också i människans arvsmassa. Cellcykelreglering och -delning är avgörande för tillväxt och utveckling av alla celler. Fissionsjästs konserverade gener har studerats hårt och orsaken till många nyare biomedicinska utvecklingar. Fissionsjäst är också ett praktiskt modellsystem för att observera celldelning eftersom fissionsjäst är cylindriskt formade encelliga eukaryoter som delar sig och reproducerar genom medial fission. Detta kan lätt ses med hjälp av mikroskopi. Fissionsjäst har också en extremt kort generationstid, 2 till 4 timmar, vilket också gör det till ett enkelt modellsystem att observera och växa i laboratoriet Fissionsjästs enkelhet i genomisk struktur men ändå likheter med däggdjursgenom, lätthet att manipulera och förmåga att användas för läkemedelsanalys är anledningen till att fissionsjäst ger många bidrag till biomedicin och cellbiologisk forskning, och ett modellsystem för genetisk analys.
Genom
Schizosaccharomyces pombe används ofta för att studera celldelning och tillväxt på grund av konserverade genomiska regioner som också ses hos människor, inklusive: heterokromatinproteiner, stora replikationsursprung, stora centromerer, konserverade cellulära kontrollpunkter, telomerfunktion, genskarvning och många andra cellulära processer. S. pombes genom sekvenserades helt 2002, det sjätte eukaryota genomet som sekvenserades som en del av Genome Project. Uppskattningsvis 4 979 gener upptäcktes inom tre kromosomer innehållande cirka 14 Mb DNA. Detta DNA finns inom 3 olika kromosomer i kärnan med luckor i de centromera (40kb) och telomera (260kb) regionerna. Efter den initiala sekvenseringen av fissionsjästens genom har andra tidigare icke-sekvenserade regioner av generna sekvenserats. Strukturell och funktionell analys av dessa genregioner kan hittas i storskaliga fissionsjästdatabaser som PomBase .
Fyrtiotre procent av generna i Genome Project visade sig innehålla introner i 4 739 gener. Fissionsjäst har inte lika många dubblerade gener jämfört med spirande jäst, den innehåller bara 5 %, vilket gör fissionsjäst till ett utmärkt modellgenom att observera och ger forskare möjligheten att skapa mer funktionella forskningsmetoder. Att S. pombe har ett stort antal introner ger möjligheter till en ökning av utbudet av proteintyper som produceras från alternativ splitsning och gener som kodar för jämförbara gener hos människa. 81 % av de tre centromererna i fissionsjäst har sekvenserats. Längden på de tre centromererna visade sig vara 34, 65 och 110 kb. Detta är 300–100 gånger längre än centromererna hos spirande jäst. En extremt hög nivå av bevarande (97%) ses också över 1 780-bp-regionen i DGS-regionerna i centromeren. Denna förlängning av centromerer och dess konservativa sekvenser gör fissionsjäst till ett praktiskt modellsystem att använda för att observera celldelning och hos människor på grund av deras likhet.
PomBase rapporterar att över 69 % av de proteinkodande generna har mänskliga ortologer och över 500 av dessa är associerade med mänskliga sjukdomar . Detta gör S. pombe till ett bra system att använda för att studera mänskliga gener och sjukdomsvägar, särskilt cellcykel och DNA-kontrollsystem.
Genetisk mångfald
Biologisk mångfald och evolutionära studier av fissionsjäst genomfördes på 161 stammar av Schizosaccharomyces pombe insamlade från 20 länder. Modellering av den evolutionära hastigheten visade att alla stammar härrörde från en gemensam förfader som har levt sedan ~2 300 år sedan. Studien identifierade också en uppsättning av 57 stammar av fissionsjäst som var och en skilde sig med ≥1 900 SNP, och alla upptäckta 57 stammar av fissionsjäst var prototrofa (kan växa på samma minimala medium som referensstammen). Ett antal studier på S.pombe-genomet stöder tanken att den genetiska mångfalden av fissionsjäststammar är något mindre än spirande jäst. Faktum är att endast begränsade variationer av S.pombe förekommer i spridning i olika miljöer. Dessutom är mängden fenotypisk variation som segregerar i fissionsjäst mindre än vad som ses i S. cerevisiae. Eftersom de flesta stammar av fissionsjäst isolerades från bryggda drycker, finns det inget ekologiskt eller historiskt sammanhang för denna spridning.
Cellcykelanalys
DNA-replikation i jäst har studerats alltmer av många forskare. Ytterligare förståelse av DNA-replikation, genuttryck och konserverade mekanismer i jäst kan ge forskare information om hur dessa system fungerar i däggdjursceller i allmänhet och mänskliga celler i synnerhet. Andra stadier, såsom celltillväxt och åldrande, observeras också i jäst för att förstå dessa mekanismer i mer komplexa system.
S. pombes stationära fasceller genomgår kronologiskt åldrande på grund av produktion av reaktiva syrearter som orsakar DNA-skador . De flesta sådana skador kan vanligtvis repareras genom DNA- basexcisionsreparation och nukleotidexcisionsreparation . Defekter i dessa reparationsprocesser leder till minskad överlevnad.
Cytokinesis är en av komponenterna i celldelning som ofta observeras i fissionsjäst. Välbevarade komponenter av cytokines observeras i fissionsjäst och låter oss titta på olika genomiska scenarier och fastställa mutationer. Cytokinesis är ett permanent steg och mycket avgörande för cellens välbefinnande. Särskilt kontraktila ringbildningar studeras hårt av forskare som använder S. pombe som modellsystem. Den kontraktila ringen är mycket konserverad i både fissionsjäst och human cytokines. Mutationer i cytokines kan resultera i många funktionsfel i cellen inklusive celldöd och utveckling av cancerceller. Detta är en komplex process i mänsklig celldelning, men i S. pombe kan enklare experiment ge resultat som sedan kan användas för forskning i högre ordningens modellsystem som människor.
En av de säkerhetsåtgärder som cellen vidtar för att säkerställa exakt celldelning är cellcykelns kontrollpunkt. Dessa kontrollpunkter säkerställer att eventuella mutagener elimineras. Detta görs ofta av reläsignaler som stimulerar ubiquitination av målen och fördröjer cytokines. Utan mitotiska kontrollpunkter som dessa skapas och replikeras mutagener, vilket resulterar i mängder av cellulära problem inklusive celldöd eller tumörbildning som ses i cancerceller. Paul Nurse, Leland Hartwell och Tim Hunt tilldelades Nobelpriset i fysiologi eller medicin 2001. De upptäckte viktiga bevarade kontrollpunkter som är avgörande för att en cell ska dela sig ordentligt. Dessa fynd har kopplats till cancer och sjuka celler och är ett anmärkningsvärt fynd för biomedicin.
Forskare som använder fissionsjäst som ett modellsystem tittar också på organelldynamik och -svar och de möjliga sambanden mellan jästceller och däggdjursceller. Mitokondriersjukdomar och olika organellsystem såsom Golgi-apparaten och endoplasmatiskt retikulum kan förstås ytterligare genom att observera fissionsjästs kromosomdynamik och proteinuttrycksnivåer och reglering.
Biomedicinskt verktyg
Det finns dock begränsningar med att använda fissionsjäst som ett modellsystem: dess resistens mot flera läkemedel. "MDR-svaret involverar överuttryck av två typer av läkemedelsutflödespumpar, familjen ATP-bindande kassetter (ABC) ... och superfamiljen för den stora facilitatorn". Paul Nurse och några av hans kollegor har nyligen skapat S. pombe -stammar som är känsliga för kemiska hämmare och vanliga sonder för att se om det är möjligt att använda fissionsjäst som ett modellsystem för kemisk läkemedelsforskning.
Till exempel har doxorubicin, ett mycket vanligt kemoterapeutiskt antibiotikum, många negativa biverkningar. Forskare letar efter sätt att ytterligare förstå hur doxorubicin fungerar genom att observera generna kopplade till resistens genom att använda fissionsjäst som ett modellsystem. Länkar mellan biverkningar av doxorubicin och kromosommetabolism och membrantransport sågs. Metaboliska modeller för läkemedelsmålning används nu inom bioteknik, och ytterligare framsteg förväntas i framtiden med användning av fissionsjästmodellsystemet.
Experimentella tillvägagångssätt
Fissionsjäst är lättillgänglig, lätt att odla och manipulera för att göra mutanter och kan hållas i antingen haploid eller diploid tillstånd. S. pombe är normalt en haploid cell, men när den utsätts för stressiga förhållanden, vanligtvis kvävebrist, kommer två celler att konjugera för att bilda en diploid som senare bildar fyra sporer i en tetrad ascus. Denna process är lätt synlig och observerbar under vilket mikroskop som helst och låter oss titta på meios i ett enklare modellsystem för att se hur detta fenomen fungerar.
Praktiskt taget alla genetiska experiment eller tekniker kan därför tillämpas på detta modellsystem såsom: tetraddissektion, mutagenanalys, transformationer och mikroskopitekniker såsom FRAP och FRET. Nya modeller, såsom Tug-Of-War (gTOW), används också för att analysera jästs robusthet och observera genuttryck. Att göra knock-in- och knock-out-gener är ganska enkelt och med fissionsjästens genom som sekvenseras är denna uppgift mycket tillgänglig och välkänd.